NOPD技術(shù)在轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)減振中的應(yīng)用研究

黃 波，陸寅嘯

（上海日立電器股份有限公司，上海 201206）

NOPD技術(shù)在轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)減振中的應(yīng)用研究

黃 波，陸寅嘯

（上海日立電器股份有限公司，上海 201206）

壓縮機(jī)泵體軸系振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)氣隙不均，從而引起電機(jī)電磁振動(dòng)加劇。傳統(tǒng)阻尼技術(shù)無法應(yīng)用于壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫、高壓環(huán)境。為了降低泵體軸系振動(dòng)，采用非阻塞性顆粒阻尼減振技術(shù)（NOPD技術(shù)）設(shè)計(jì)專門用于泵體減振的NOPD減振器。為得到效果較優(yōu)的NOPD減振器設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)某款變頻壓縮機(jī)設(shè)計(jì)4種不同顆粒填充數(shù)、腔體材質(zhì)的NOPD減振器，安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡塊位置處。整機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與未安裝NOPD減振器的批量機(jī)相比，安裝NOPD減振器的試制機(jī)殼體振動(dòng)均明顯下降。顆粒填充數(shù)量越多，減振器減振效果越好。

振動(dòng)與波；轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)；NOPD減振器；試驗(yàn)研究

壓縮機(jī)軸系振動(dòng)是壓縮機(jī)的主要振源之一，由其引起的氣隙不均還將導(dǎo)致電磁振動(dòng)加劇。由于壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境使得干摩擦、黏彈性材料等傳統(tǒng)阻尼技術(shù)無法有效運(yùn)用于壓縮機(jī)軸系。為此，本文將采用一種非阻塞性顆粒阻尼（NOPD）技術(shù)對(duì)壓縮機(jī)軸系進(jìn)行減振處理。NOPD技術(shù)是20世紀(jì)90年代由Panossian提出的一種區(qū)別于干摩擦、黏彈性材料等傳統(tǒng)阻尼技術(shù)的微小顆粒阻尼減振技術(shù)[1–2]。該技術(shù)具有附加質(zhì)量少、對(duì)結(jié)構(gòu)外形改動(dòng)小、阻尼特性穩(wěn)定且在極端溫度條件下不易老化等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)黏彈性阻尼材料因熱老化、脆裂引起阻尼性能下降的問題。

在NOPD技術(shù)理論研究方面，方江龍等根據(jù)分子動(dòng)理論基本原理[3]，建立了非阻塞性顆粒阻尼能量耗散的定量模型，發(fā)現(xiàn)顆粒阻尼的能量耗散功率隨著顆粒直徑的增大、顆粒層數(shù)的增多、材料密度的增加以及振動(dòng)強(qiáng)度的提高逐漸提高。張凱等基于振動(dòng)顆粒物質(zhì)的流變特性，研究了NOPD的阻尼效果和其內(nèi)部阻尼顆粒運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的關(guān)系[4]，通過實(shí)驗(yàn)確定了NOPD發(fā)揮最優(yōu)阻尼效果時(shí)其內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，使用離散元仿真分析了最優(yōu)阻尼顆粒的耗散特性。姚冰提出了一種非線性顆粒阻尼器的線性等效方式[5]，能夠在給定的振動(dòng)環(huán)境下充分體現(xiàn)顆粒阻尼的耗能特點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，于剛?cè)A對(duì)將NOPD技術(shù)應(yīng)用于板結(jié)構(gòu)的聲輻射控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[6]，采用NOPD技術(shù)設(shè)計(jì)了一種多層復(fù)合板，根據(jù)四邊固定薄板結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型，對(duì)不同的NOPD填充形式，進(jìn)行聲學(xué)實(shí)驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)，確認(rèn)了運(yùn)用NOPD技術(shù)抑制板結(jié)構(gòu)聲輻射的有效性。張向東分析了顆粒阻尼技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的可能性[7]，對(duì)顆粒阻尼在建筑物上應(yīng)用的具體位置和安裝方式提出了指導(dǎo)意見。NOPD技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用于建筑、機(jī)械以及航空航天領(lǐng)域，但在壓縮機(jī)上的應(yīng)用并不多見。相比于傳統(tǒng)阻尼技術(shù)，NOPD阻尼器所具有的結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、抗老化、減振頻帶寬和沖擊力較小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在壓縮機(jī)內(nèi)部高溫高壓環(huán)境中的使用[8]。

1 NOPD減振技術(shù)

1.1 NOPD減振機(jī)理

NOPD減振機(jī)理是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)較大的區(qū)域附著或者在結(jié)構(gòu)上開設(shè)空腔，在空腔內(nèi)部裝填細(xì)小顆粒，依靠顆粒與顆粒以及顆粒與腔體之間的非彈性碰撞和摩擦消耗系統(tǒng)的振動(dòng)能量以達(dá)到減振目的[9，10]。對(duì)于低頻振動(dòng)，振動(dòng)能量的損耗主要依靠顆粒之間以及顆粒與腔體之間的摩擦；對(duì)于高頻振動(dòng)，振動(dòng)能量主要依靠顆粒之間以及顆粒與腔體之間的碰撞進(jìn)行動(dòng)量交換，并轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。

根據(jù)能量耗散原理，顆粒阻尼器的耗能分為彈性碰撞耗能和摩擦耗能。對(duì)于發(fā)生碰撞接觸的任意兩個(gè)顆粒，其彈性碰撞能耗為[11]：

mi、mj分別為顆粒i、j的質(zhì)量；e為顆粒的彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)，Δv為兩顆粒碰撞前的相對(duì)速度。

顆粒間的摩擦能耗由摩擦力做功確定，可表示為

μ為顆粒間的摩擦系數(shù)，F(xiàn)Xij為顆粒間的法向接觸力，δt為顆粒間的相對(duì)位移。對(duì)于顆粒與阻尼器壁之間的能量損耗的計(jì)算，可以將式（1）、式（2）中的顆粒j看作是阻尼器壁，則計(jì)算方法一致。系統(tǒng)的總能量損耗可表示為

1.2 NOPD減振技術(shù)的影響因素

由式（1）至式（3）可以看出，NOPD減振器的減振效果與顆粒的質(zhì)量、數(shù)量、恢復(fù)系數(shù)、顆粒間的相對(duì)位移等因素有關(guān)。實(shí)際反應(yīng)在顆粒的材質(zhì)、粒徑大小、數(shù)量以及腔體的填充率上。腔體內(nèi)顆粒的數(shù)量對(duì)振動(dòng)體振動(dòng)能量的損耗有顯著影響，一般顆粒數(shù)量越多，其減振效果越好。但同時(shí)應(yīng)確保顆粒之間具有足夠的運(yùn)動(dòng)空間。

顆粒粒徑對(duì)減振器減振效果也有明顯影響。在顆粒碰撞間隙足夠大的前提下增大顆粒直徑有利于提升減振效果。但在腔體體積一定的條件下會(huì)導(dǎo)致可填充顆粒數(shù)量的降低。在實(shí)際使用時(shí)，一般選擇小粒徑的顆粒，這樣可以增加顆粒數(shù)量，提高減振器的阻尼效果。

顆粒材質(zhì)可以是金屬也可以是非金屬。在顆粒粒徑、數(shù)量相同的情況下，楊氏模量越大、密度越大的顆粒材質(zhì)減振效果越好。

除了顆粒自身參數(shù)外，NOPD減振器的腔體體積和顆粒填充率對(duì)減振器的阻尼效果也有影響。一般增大腔體體積、提高填充率能有效提升減振器的減振效果。對(duì)于給定尺寸的空腔，存在最佳填充率。填充率過大，會(huì)導(dǎo)致顆粒之間缺乏足夠的運(yùn)動(dòng)空間，抑制了顆粒之間的碰撞、摩擦；填充率過小，則顆粒數(shù)量不足，兩者都會(huì)降低減振器的減振效果。

2 用于壓縮機(jī)軸系的NOPD減振器設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)泵體軸系振動(dòng)最大的部位是曲軸端部的轉(zhuǎn)子。圖1是壓縮機(jī)軸系的典型組成結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子、消聲器、上下缸蓋、氣缸、滾動(dòng)活塞等部件通過曲軸連接在同一軸系上。其中，缸蓋與氣缸、消音器由螺釘緊固為一體，再采用局部點(diǎn)焊接的方式將缸蓋與殼體固定在一起。工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在電磁力作用下高速旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)曲軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這一過程中，整個(gè)軸系振動(dòng)最大的區(qū)域就是轉(zhuǎn)子部分。為了有效降低軸系的振動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了用于泵體軸系減振的NOPD減振器。

圖1 壓縮機(jī)軸系示意圖

用于壓縮機(jī)泵體軸系減振的NOPD減振器設(shè)計(jì)主要依據(jù)式（1）至式（3）的能耗原理，根據(jù)安裝位置的實(shí)際條件，在確保壓縮機(jī)安全、可靠運(yùn)行的前提下，腔體內(nèi)部盡可能多地填充顆粒，顆粒的質(zhì)量應(yīng)盡可能大。本文以我公司一款6極9槽變頻壓縮機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了4種不同參數(shù)的用于轉(zhuǎn)子減振的NOPD減振器?？紤]到轉(zhuǎn)子的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及為了盡量避免添加減振器引起轉(zhuǎn)子平衡量的變化，轉(zhuǎn)子NOPD減振器設(shè)計(jì)為圓環(huán)形式，具體參數(shù)見表1。

由于NOPD減振器減振效果受到的影響因素較多，本研究還處于初步探索階段，故對(duì)于顆粒粒徑和材質(zhì)的影響先不作研究，只對(duì)顆粒數(shù)量的影響進(jìn)行分析確認(rèn)。為此設(shè)計(jì)了圓柱形腔體和扇形腔體兩種腔體樣式的NOPD減振器。前者加工方便，但腔體體積占比較低，利用效率差。后者腔體體積占比高，能添加更多數(shù)量的顆粒，但加工難度大，需要開設(shè)專用模具，在初期研究階段費(fèi)用較高。為了降低制作費(fèi)用，同時(shí)對(duì)比不同腔體材質(zhì)對(duì)減振效果的影響，方案3及方案4采用3D打印技術(shù)制作，材料為尼龍+30%玻纖。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部安裝有永磁體，NOPD減振器腔體內(nèi)顆粒材質(zhì)應(yīng)避免使用具有磁性的顆粒，防止顆粒因磁力吸附作用無法運(yùn)動(dòng)。本研究選用粒徑為0.5 mm銅質(zhì)顆粒。銅的密度較大，恢復(fù)系數(shù)小。根據(jù)式（1），顆粒質(zhì)量越大、恢復(fù)系數(shù)越小，彈性碰撞能耗越大，并且銅顆粒的制備簡單，容易獲取。制作完成的NOPD減振器安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯與上平衡塊之間，如圖2所示。

3 NOPD減振器效果驗(yàn)證

3.1 NOPD減振器效果驗(yàn)證

對(duì)4個(gè)方案中減振器的整機(jī)減振效果進(jìn)行測(cè)試分析。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇常規(guī)測(cè)試測(cè)點(diǎn)，測(cè)量壓縮機(jī)殼體在 3 210 r/min、4 800 r/min、5 100 r/min、5 400 r/min、5 700 r/min、6 000 r/min、6 900 r/min轉(zhuǎn)速工況下，上部電機(jī)位置和下部泵體位置的上下方向和回轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)加速度值，測(cè)試結(jié)果如圖3至圖6所示。

圖2 安裝NOPD減振器的電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖3 上部上下方向振動(dòng)

圖4 上部回轉(zhuǎn)方向振動(dòng)

根據(jù)圖3至圖6可以看出，在壓縮機(jī)上部和下部的上下方向以及下部回轉(zhuǎn)方向上，沒有安裝NOPD減振器的批量機(jī)振動(dòng)在所有轉(zhuǎn)速工況下均遠(yuǎn)大于安裝了NOPD減振器的試驗(yàn)機(jī)。在壓縮機(jī)上部回轉(zhuǎn)方向上，除了低轉(zhuǎn)速3 210 r/min以及5 100 r/min和5 400 r/min的方案F2、F3以外，沒有安裝NOPD減振器的批量機(jī)振動(dòng)均大于安裝了NOPD減振器的試驗(yàn)機(jī)?？梢姲惭b在轉(zhuǎn)子上的NOPD減振器確實(shí)對(duì)整機(jī)具有減振效果。

表1 用于轉(zhuǎn)子減振的NOPD減振器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5 下部上下方向振動(dòng)

圖6 下部回轉(zhuǎn)方向振動(dòng)

雖然NOPD減振器對(duì)整機(jī)振動(dòng)具有明顯的減振作用，但在所關(guān)心的壓縮機(jī)殼體上部區(qū)域（電機(jī)定子熱套位置）的回轉(zhuǎn)方向，減振器的效果并不是特別理想，特別是在低轉(zhuǎn)速時(shí)。這是由于安裝轉(zhuǎn)子的曲軸長軸段類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，見圖7。

圖7 類似懸臂梁結(jié)構(gòu)的曲軸長軸段

在轉(zhuǎn)子上端安裝NOPD減振器后，上平衡塊上移，懸臂梁變長導(dǎo)致曲軸長軸段繞度增加，從而引起定轉(zhuǎn)子間氣隙變化增大、電磁振動(dòng)變大，部分抵消了NOPD減振器的減振效果。

3.2 不同方案效果對(duì)比

本研究所涉及的4個(gè)方案主要對(duì)比了填充顆粒數(shù)量以及腔體材質(zhì)對(duì)減振效果的影響。方案F1和F2的腔體結(jié)構(gòu)樣式和材質(zhì)一致，但后者的深度是前者的兩倍，填充顆粒數(shù)量比前者多近10%。方案F3和F4的腔體深度和材質(zhì)一樣，但后者的腔體體積占比遠(yuǎn)大于前者，顆粒填充數(shù)量比前者多近17%。分別比較方案F1和F2、方案F3和F4的減振效果。圖8是方案F2與方案F1振動(dòng)數(shù)據(jù)差值歸一化后的結(jié)果對(duì)比，正值表示方案F2的振動(dòng)大于方案F1，負(fù)值表示方案F2的振動(dòng)小于方案F1。用同樣的方法對(duì)比方案F4與方案F3，見圖9。

圖8 方案F2與方案F1對(duì)比數(shù)據(jù)差值歸一化

圖8中，顆粒填充數(shù)量居多的方案F2減振效果并沒有明顯優(yōu)于方案F1，在中、低轉(zhuǎn)速上整體振動(dòng)要高于前者，在高轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)開始低于前者。在圖9中，顆粒填充數(shù)量居多的方案F4減振效果則明顯優(yōu)于方案F3，符合顆粒數(shù)量多的NOPD減振器效果好的理論。之所以方案F2的減振效果不如方案F1，可能是由于前者腔體內(nèi)部剩余空間體積偏小（剩余空間體積占比僅是后者的一半不到），導(dǎo)致顆粒之間沒有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，減振效果變差。當(dāng)腔體內(nèi)部剩余空間體積一樣時(shí)（方案F3和F4）,顆粒填充數(shù)量多的減振效果越好。

圖9 方案F4與方案F3對(duì)比數(shù)據(jù)差值歸一化

用同樣的作圖方法作圖10，對(duì)比相同腔體結(jié)構(gòu)、不同腔體材質(zhì)的方案F2（質(zhì)量較重）和方案F3（質(zhì)量較輕）的減振效果。方案F3整體減振效果較好，但在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，在更加關(guān)注的上部回轉(zhuǎn)方向上（電機(jī)熱套位置），方案F2的減振效果更好。

4 結(jié)語

本研究確認(rèn)了NOPD減振器減振效果與顆粒填充數(shù)量之間的定性關(guān)系，為NOPD減振器的設(shè)計(jì)提供了普適性的一般規(guī)則，即在確保待減振體安全、可靠運(yùn)行的前提下，腔體內(nèi)部應(yīng)盡可能多地填充顆粒，顆粒的質(zhì)量應(yīng)盡可能大。

圖10 方案F3與方案F2對(duì)比數(shù)據(jù)差值歸一化

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用NOPD減振技術(shù)能有效降低轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的殼體振動(dòng)。腔體內(nèi)部顆粒填充數(shù)量越多，減振效果越好。但腔體內(nèi)部應(yīng)保留足夠的空間以確保顆粒的有效運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)及方案數(shù)量還無法確認(rèn)腔體材質(zhì)與減振效果之間的關(guān)系。

NOPD技術(shù)在轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)上的應(yīng)用還處于起步階段。還有很多方面可以進(jìn)行深入研究來增強(qiáng)該技術(shù)在壓縮機(jī)減振上的使用效果。本研究中直接將NOPD減振器添加在轉(zhuǎn)子與上平衡塊之間導(dǎo)致曲軸繞度增加，電機(jī)電磁振動(dòng)加劇，影響了NOPD減振器在殼體上部回轉(zhuǎn)方向的減振效果。在后續(xù)的研究中將對(duì)減振器的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保NOPD減振器的存在不會(huì)引起其他振動(dòng)的惡化。另外，對(duì)于NOPD減振器的設(shè)計(jì)參數(shù)，如腔體填充率、顆粒粒徑等也將進(jìn)行深入研究，找到合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。

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Application of NOPD Technique to Vibration Reduction of Rotor Compressors

HUANG Bo,LU YIN-xiao
(Shanghai Hitachi ElectricAppliance Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

Vibration of compressor shafting system can cause the uneven air gap between the stator and the rotor,which will intensify the electromagnetic vibration of the motor.Traditional damping technique is not available for vibration and noise control due to the high temperature and high pressure conditions inside the compressors.In order to reduce the vibration of the compressor’s shafting,a technique named Non-obstacle Particle Damping(NOPD)is used and some special NOPD shock absorbers are designed for shafting vibration reduction.According to the structure of an inverter compressor,4 NOPD shock absorbers with different numbers of filled-in particles and cavity materials are made and installed to the rotors.Results of compressor vibration test show that the vibration of the compressor with NOPD shock absorbers installed is reduced apparently in contrast with the compressor without NOPD shock absorber.And the more particles are filled in,the better effect of vibration reduction is achieved.

vibration and wave;rotor compressor;NOPD shock absorber;experimental research

TH703.63

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.043

1006-1355(2017)06-0216-04+224

2017-05-22

黃波（1962-），男，上海市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及減振降噪設(shè)計(jì)。E-mail:luyx@shec.com.cn